MALZEME BİLGB. ve ALAŞIMLARI. Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN. Pamukkale Üniversitesi BAHAR

Transkript

1 8 MALZEME BİLGB LGİSİ MÜHENDİSLİK K METAL ve Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN Pamukkale Üniversitesi BAHAR

2 GİRİŞİŞ MÜHENDİSLİK K METAL ve Mühendislik uygulamalarında çok önemli bir yer tutan metaller ve alaşı şımlar polikristal yapılı, inorganik cisimlerdir. Metaller homojen yapılı,, katı veya sıvıs halde özelliklerini değiştirmeyen; demir, bakır, alüminyum gibi yapı malzemeleridir. Limonit Metaller doğada çoğunlukla oksit, kükürt k ve karbonatlı cevherler halinde bulunur. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 2

3 GİRİŞİŞ MÜHENDİSLİK K METAL ve Genellikle mühendislik m malzemesi olarak kullanılan lan metalik malzemeler ana metale başka bir element veya elementler eklenmesi ile elde edilen metalik alaşı şımlardır. r. Özelliklerin iyileştirilmesi veya istenen özelliklerde malzeme elde etme amacıyla alaşı şımlar geliştirilmi tirilmiştir. tir. Alaşı şımlar saf metallerden daha iyi mekanik özelliklere sahiptirler. Uygulamada çoğunlukla mekanik özelliklerinin düşükld klüğü nedeniyle saf metaller kullanılmaz. lmaz. Saf metallerin korozyona karşı büyük k bir dayanıkl klılığıığı vardır. r. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 3

4 ALAŞIM Alaşı şım; MÜHENDİSLİK K METAL ve bir metale belirli özellik sağlamak için i in en az bir başka elementin (metal veya ametal) kasıtl tlı olarak eklenmesi ile elde edilen metal karakterli bir malzemedir. Örneğin, çelik (demir ve karbon) metal olmayan bir elemanı içeren bir alaşı şımdır. İlave edilen element, kristal içinde i inde ya katı çözelti veya ara bileşikler ikler halinde bulunur. Alaşı şımda fazla miktarda olan metale asıl l metal adı verilir. Alaşı şımı elde etmek için i in bu metale karış ıştırılanlara da alaşı şım elemanları denir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 4

5 KATI ERİYİKLER: Uygun sıcakls caklıklarda, klarda, gaz ve sıvıs çözeltilerinde olduğu u gibi, katı cisimler de homojen bir eriyik olan çözelti haline dönüşebilirler. d Katı eriyikler sıcakls caklık k ve içeriklerine i göre g değişik ik fazlarda bulunabilirler. Faz, üniform fiziksel ve kimyasal özellikler gösteren g bir sistemin homojen bir parças asıdır. Aynı ortamda değişik ik fazlar bulunabilir. İlave edilen element, kristal içinde i inde ya katı çözelti veya ara bileşikler ikler halinde bulunur. Genellikle çözücü bir cismin içinde i inde ancak sınırls rlı bir miktar çözünen madde çözünebilir. Örneğin, bir bardak suda ancak belirli bir miktar şeker çözülebilir. Benzer şekilde metal eriyiklerinde de çözülebilirlik sınırlars rları vardır. r. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 5

6 KATI ERİYİKLER: Örnek olarak su-şeker karışı ışımını dikkate alınırsa; sabit bir sıcaklıkta kta şekerin su içinde i inde çözünebilece nebileceği i maksimum miktar vardır. r. Buna çözünürl rlük k sınırı s denir. Sıcaklık k artıkça a bu sınır s r artar. Bu sınırdan s daha fazla şeker konursa, fazla şeker su içinde i inde çözünmez ve karışı ışımın n dibinde katı parçac acıklar çökelir. Bu durumda ortamda iki faz vardır: r: 1- Çökelmi kelmiş şeker fazı 2- Şekerli su fazı (şerbet) PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 6

7 KATI ERİYİKLER: Metallerin büyük b çoğunluğu u kafes yapısı içinde inde belirli sayıda yabancı atom barınd ndırabilirler. Yabancı atomların n asıl l metalin kafes sistemindeki yerleşimlerine göre, metalik katı eriyiklerin iki türüt vardır: r: 1. Ara-yer Katı Eriyiği 2. Yeralan Katı Eriyiği i (Asal Yer Katı Eriyiği) i) PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 7

8 KATI ERİYİKLER: Yabancı atom esas metalin atomu yerine yerleşiyor ise Yeralan Katı Çözeltisi zeltisi kafes aralarındaki boşluklara yerleşiyor ise Arayer Katı Çözeltisi meydana gelir PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 8

9 ARAYER KATI ÇÖZELT ZELTİSİ Bu türde atomik yarı çapı 10-8 cm' den küçük üçük k olan H, C, B ve N gibi çözünen metalin atomları, çözücü metalin atomlarının arasındaki boşluklara dağı ğılmışlardır. r. YERALAN KATI ÇÖZELT ZELTİSİ Bu türde t çözünen metalin atomları çözücü metalin kristal atomlarının n bazılar larının n yerini almış ıştır. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 9

10 Eriyen elementin (yabancı elementin) atomlarının n kafesteki dağı ğılımı düzenli ya da düzensiz d olabilir. Belli bir kritik sıcakls caklığın n altında, eriyen atomlar tüm t m birim kafeslerde aynı pozisyonlara yerleşerek erek düzenli d katı eriyik oluştururlar. Bu tür t r kafeslere süper kafes adı verilir. Ancak düzenli d katı eriyikleri, sert ve kırılgan k bir yapıya sahip olduklarından dolayı mühendislik malzemesi olarak uygun olmayan özelliklere sahiptir. Düzensiz katı eriyikleri ise tok ve düktil d olduklarından uygulamada daha çok tercih edilirler. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 10

11 Hume-Rothery Kuralları Yer alan katı eriyiğinin inin oluşabilmesi için i in bazı şartların sağlanmas lanması gerekmektedir. a) Atom boyut faktörü b) Kimyasal Faktör c) Rölatif Valans Faktörü PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 11

12 ATOM BOYUT FAKTÖRÜ Alaşı şıma giren atomların çapları birbirine ne kadar yakın n ise bu elementlerin birbirini çözme olasılığı ığı o kadar yüksektir. y Bu tip eriyiklerde atomların çapları arasındaki fark birbirinden % 14-15' 15' den fazla ise iki elementin birbiri içinde i inde çözülmesi çok sınırls rlı kalır. Örneğin kurşun un ve alüminyumun atom çapları arasındaki bağı ğıl l fark % 16 olduğundan, undan, ergitilmiş bu iki metal karış ıştırılıp p soğumaya terkedilince, sonunda birbirleriyle birleşmemi memiş ve karış ışmamış kurşun un ve alüminyum katı metalleri elde edilir. Buna karşı şın n atom çapları arasındaki fark % 7'yi geçmiyor ise bunların n her oranda birbiri içinde i inde çözünmesi olanaklıdır. Örneğin, nikelin atom çapı A, A, bakırın n ise A A olduğundan, undan, bu iki metal her oranda birleşip ip farklı karakterde alaşı şımlar oluşturabilirler. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 12

13 KİMYASAL FAKTÖR Eriyen ve eriten atomların n birbirine olan kimyasal ilgisi ne kadar az ise katı eriyik oluşturma eğilimleri e o kadar fazladır, aksi takdirde kimyasal bileşik ik oluştururlar. RÖLATİF F VALANS FAKTÖRÜ Bir atoma düşen d valans (değerlik) erlik) elektronu sayısı demektir. Bu sayının n artması katı eriyik bölgesinin b genişlemesine yol açar, a ar, yani düşük d k valanslı bir metal, içerisinde i yüksek y valanslı metalleri daha fazla eritir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 13

14 Hume-Rothery Kuralları İki metal üç şartı da sağlıyor ise her bileşim im oranında nda katı eriyik oluştururlar. Ayrıca bu şartlar elementlerin kristal yapılar larının n aynı olması durumunda geçerlidir. erlidir. Hume-Rothery tarafından belirlenen bu kurallara göre g bakır r grubu, gerek atom boyutu gerekse kimyasal bakımdan metallerin ortasında yer aldığı ığından en iyi eritici olarak bilinir. Örneğin bakır r birçok metali en az % 5 oranında nda eriterek katı eriyik oluşturur (Al, Au, Cd, Mg, Pt, Sn, Zn vb.). GümüşG de aynı özelliklere sahiptir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 14

15 Hume-Rothery Kuralları Geçiş elementlerinden olan demir de birçok metali geniş oranda eritebilir (Al, Co, Cr, Cu, Mn, Mo, Ni, Pt, Sn, V, W, vb.). Periyodik tablonun aynı sırasında bulunan ve atom çapları birbirine uyan geçiş elementleri birbirini geniş oranlarda eritirler. Çok değerlikli, erlikli, geçiş metalleri grubundan olmayan metallerin ise, gerek atom boyutlarının n ve gerekse kimyasal duyarlılıklar klarının artması dolayısıyla yla eritebilirlik sınırlars rları daralır. r. Bunlara örnek olarak; Mg, Al, Sn metalleri verilebilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 15

16 KATILAŞMA Alaşı şımlandırma yani bir metale istenen element veya elementlerin eklenmesi sıvıs halde yapılır. Alaşı şım m kalıplara dökülerek d ya mamül parça a halinde ya da daha sonra şekillendirilmek üzere kütük k k haline getirilir. Bu safhalar saf metaller için i in de geçerlidir. erlidir. Döküm m sonrasında nda malzeme katıla laşma veya ergime sıcakls caklığında sıvı halden katı hale geçecektir. ecektir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 16

17 KATILAŞMA OLAYI Sıvı halde saf bir metal ya da alaşı şım m soğutulmaya bırakb rakılsın. İlk sıcaklık k yüksek y olduğu u için i in sistem sıvıs fazdadır. İlk katıla laşma (çekirdek( oluşumu) umu) erime sıcakls caklığında meydana gelecektir. Bu anda ilk olarak katı tanecikler oluşacakt acaktır. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 17

18 KATILAŞMA OLAYI Malzemenin bulunduğu u ortamın n sıcakls caklığı düşük k olduğundan undan malzemenin sıcakls caklığının n daha da düşmesi d beklenir. Ancak katıla laşma dolayısıyla yla sıvıdan s dışd ışarıya verilen enerji ısı şeklinde dışd ışarıya atıld ldığından civarındaki katı ve sıvıs ısınacaktır. Bundan dolayı T er denge sıcakls caklığına kadar yükselir. y Eğer etrafındaki sıvıs homojen bir sıcakls caklık k alanına na sahipse soğuma esnasında nda katı her yönde y homojen büyüme b göstereceg stereceğinden küremsi bir şekil alır. Sonuç olarak, katıla laşma tamamlandığı ığında metalin taneleri küresel k olur. Böyle B bir yapı tam bir izotropik özellikten dolayı ideal yapı adını alır. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 18

19 KATILAŞMA OLAYI Ancak pratikte katıla laşma çok büyük b k bir genelde başka şekilde oluşur. ur. Dışarıya atılan ısı,, sıvıda s homojen bir sıcakls caklık k oluşturmaz. Dolayısıyla yla katıla laşma sıvının s n soğuk bölgelerine b doğru ilerleyerek katı iğnecikler oluşturur. Sonunda çam dalına benzeyen katılar oluşur ur ki buna dendrit adı verilir. Dendritler büyüdükçe e aradaki sıvı, s açığa çıkan ısının n artması dolayısıyla yla çok çabuk soğuyamayaca uyamayacağından katıla laşma hızıh azalır. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 19

20 KATILAŞMA OLAYI Bu sırada s dendritler büyümüşb ve birbirleri ile temas haline gelmişlerdir. lerdir. Her bir dendrit farklı yönlerde büyüdüğünden, b temas yerlerinde katıla laşma tamamlandığı ığında tane sınırlars rları oluşur. ur. İrileşmiş dendritlerin arasındaki dendrit boşluklar luklarını doldurarak sonuçta taneler oluşur. ur. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 20

21 DENGE DİYAGRAMLARID Maddeler belirli çevre şartlarında bir veya birden fazla faz içerebilirler. Maddenin denge halindeki faz sayısı ve miktarı, maddenin; a) Kimyasal komposizyonuna, b) Ortam sıcakls caklığına, c) Ortam basınc ncına na bağlıdır. Maddenin hangi çevre şartlarında ve hangi kimyasal kompozisyonda ne gibi fazları (denge hali) içerdii erdiği, i, sıcakls caklık, k, kompozisyon ve basınc ncın değişken alınd ndığı diyagramlarda gösterilir. g Bu diyagramlara Faz Denge diyagramları veya doğrudan denge diyagramları denir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 21

22 DENGE DİYAGRAMLARID Değişik ik metaller için i in faz diyagramları çizilip, makina ve metalurji mühendislerine çok yararlı olacak veriler elde edilebilir. Denge diyagramları sistemi oluşturan bileşen en sayısına göre g 1 li, 1 2 li, 2 3 lü ve 4 lü4 denge diyagramları olabilir. Pratikte en çok 2 li 2 denge diyagramları kullanılır. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 22

23 BİR R BİLEB LEŞENLİ DENGE DİYAGRAMLARID Saf maddelere ait 1 li 1 diyagramlardır. r. Bu u tip diyagramlarda değişken sıcakls caklık k ve basınçtır. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 23

24 BİR R BİLEB LEŞENLİ DENGE DİYAGRAMLARID 1 nolu bölge b katı madde bölgesini b gösterir. Diğer bölgeler b sıvıs ve gaz fazlarını gösteren bölgelerdir. b Bölgeleri birbirinden ayıran P ve T değerlerindeki erlerindeki şartlarda her iki bölge fazları beraberce denge halinde yer alır. O noktasında nda (üç( üçlü nokta) ise her üç faz (katı+s +sıvı+gaz) +gaz) beraberce denge halinde bulunurlar. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 24

25 İKİ BİLEŞENLİ DENGE DİYAGRAMLARID İkili denge diyagramları diyagramı oluşturan elementlerin birbirinde çözünme durumuna göre g üçe e ayrılır. r. a) Sıvı ve katı halde birbirinde hiç erimeyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Ag-Ni, Al-Pb, K-Mg, K Fe-Pb. Bu tür t r karışı ışımların n pratikte önemi yoktur b) Sıvı ve katı halde birbirinde kısmen k eriyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Pb-Zn c) Sıvı halde birbirlerinde tamamen eriyen elementlerin denge diyagramları Bunları da üçe e ayırmak mümkm mkündür. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 25

26 İKİ BİLEŞENLİ DENGE DİYAGRAMLARID c) Sıvı halde birbirlerinde tamamen eriyen elementlerin denge diyagramları c1) Katı halde birbiri içinde i inde tamamen eriyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Cu-Ni, Fe-Ni c2) Katı halde birbiri içinde i inde kısmen k eriyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Pb-Sb, Cu-Zn, Pb-Sn, Cr-Ni c3) Katı halde birbiri içinde i inde hiç erimeyen elementlerin denge diyagramları Örnek: Bi-Cd, Sn-Zn, Al-Sn, Bi-Cu PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 26

27 Sıvı ve Katı Halde Tam Çözünürl rlük Alaşı şımı meydana getiren elementler sıvıs ve katı halde birbirlerini tam olarak eritebiliyor ise bu tip denge diyagramları oluşur. ur. Normal şartlar altında saf bir madde tek bir ergime sıcakls caklığında (TE) ergir veya katıla laşır. Ancak birbiri içinde i inde tamamen eriyebilen iki madde karış ıştırıldığında oluşan alaşı şımda ergime ve katıla laşma A elementinin ergime sıcaklığı (T EA ) ile B elementinin ergime sıcakls caklığı (T EB ) arasındaki sıcaklarda meydana gelir. Bu aralık k karışı ışımı oluşturan maddelerin konsantrasyonuna göre g değişmektedir. Alaşı şımların n faz diyagramlarının n belirlenmesi için i in değişik ik konsantrasyonlarda alaşı şımlar hazırlanarak ergime ve katıla laşma ma noktaları belirlenir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 27

28 Sıvı ve Katı Halde Tam Çözünürl rlük Bu denge diyagramında sıvı,, katı, sıvı+katı fazlar ile bu fazlara ait sınırlar s likudus ve solidus görülmektedir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 28

29 Sıvı ve Katı Halde Tam Çözünürl rlük Katı faz, birbiri içinde tamamen eriyen A ve B maddelerinin oluşturduğu katı eriyikten (α) meydana gelmiştir. Maddeler birbiri içinde tamamen eridiğinden dolayı katı (α) tanelerinde sadece tane sınırları görülebilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 29

30 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik A içindeki B veya B içindeki A miktarı arttıkça katılaşma sıcaklığı düşmektedir. Önoktasında Likudus eğrileri kesişmektedir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 30

31 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik Bu noktada alaşım saf elementler gibi davranarak T ö sıcaklığında katılaşmaktadır. Bu düzen genellikle katmanlı veya spiral biçiminde yan yana dizilme şeklinde olur. Bu görünüm nedeniyle bu yapıya "güzel şekilli" "iyi yapılı" anlamında ötektik ismi verilmiştir. Bu alaşıma da ötektik alaşım denilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 31

32 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda Tam Çözünmezlik Katılaşma esnasında ötektik alaşımın solunda kalan alaşımlarda ilk önce A sağında kalan alaşımlarda ise ilk önce B katılaşır. Sıvının içindeki sırasıyla B ve A miktarları da artar. Geriye kalan sıvı ötektik konsantrasyona gelince ötektik yapı oluşur. Bu ötektik yapı katılaşma sıcaklığı küçük olması nedeniyle çekirdekleşme hızı yüksektir. Bundan dolayı ötektik alaşım ince tanelidir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 32

33 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda SınırlS rlı Çözünürl rlük Bu denge diyagramlarının ikinci tip denge diyagramlarından farkı A bileşenin belirli bir B çözebildiği α bölgesi ve B bileşeninin belirli bir A çözebildiği β bölgesinin bulunmasıdır PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 33

34 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda SınırlS rlı Çözünürl rlük Çözünürlük, sıcaklığın artması ile arttığı için, ötektik sıcaklıkta en büyüktür. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 34

35 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda SınırlS rlı Çözünürl rlük Oda sıcaklığındaki çözünürlük sınırının üstünde A ve B içeren α ve β fazları oda sıcaklıklarına soğur iken çözemedikleri A ve B yi kristal dışına atarak B ce zengin β çök ve A ca zengin fazları α çök oluşur. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 35

36 Sıvı Durumda Tam Çözünürl rlük, Katı Durumda SınırlS rlı Çözünürl rlük Bu ayrışma olayına çökelme denilir. Çökelme olayında difüzyon söz konusudur. Difüzyonun olması için yeterli zaman verilmeden hızlı bir soğutma yapılır ise aşırı doymuş bir kararsız yapı meydana gelir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 36

37 8 MALZEME BİLGB LGİSİ DEMİR R ve Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN Pamukkale Üniversitesi BAHAR

38 Demir ve Alaşı şımları Sanayi ve yapılarda en çok kullanılan lan metalik malzeme, demir ve karbonlu alaşı şımları olan font (dökme demir, pik) ve çelik türleridir. t Demir grimsi esmer bir metal olup, özgül l ağıa ğırlığı dir C de erir, serttir tir ve fazla elastik değildir. Demir doğada 4. yaygın n bulunan bir metaldir (% 4.2). Demir, doğada en çok oksit cevherleri (Magnetit, Fe 3 O 4 ), kükürtlk rtlü cevher (Pirit, FeS 2 ) ve karbonatlı cevher (Spathik demir, FeCO 3 ) şeklinde rastlanır. r. Yurdumuzda en zengin demir cevheri limonittir (Fe 2 O 3. nh 2 O) ve Divriği'de i'de bulunur (% Fe). PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 38

39 Demir ve Alaşı şımları Demir kökenli k kenli alaşı şımların n değişik ik özellikleri olan çeşitli türleri t vardır. r. Ayrıca demir ve karbon alaşı şımından oluşan çeliğe, e, krom, nikel, tungsten gibi metaller değişik ik oranlarda katılarak bir takım özellikler kazandırılabilir. labilir. Demire alaşı şım m malzemesi olarak katılan karbon veya diğer metallerin oranı,, alaşı şımın n yalnızca kimyasal yapısını değiştirmekle kalmayıp, metalin mekanik davranışı ışını da etkiler. Alaşı şımların n davranış ışları,, ayrıca geçirdi irdiği i dayanımı arttırma rma yöntemlerine de (ısıl( l işlemi i vb.) bağlıdır. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 39

40 Demir Karbon Denge diyagramı Mekanik özelliklerini değiştirmek amacıyla demire değişik ik elementlerle alaşı şım m yapılır. Bu amaca yönelik y olarak en çok karbon kullanılır. Demiri en çok etkileyen alaşı şımlama elemanı karbondur. Demir karbon alaşı şımı olan çelik, tüm t m demir kökenli k kenli malzemenin en çok kullanılan lanıdır. Genellikle karbon oranının n belirli bir yüzdeye y kadar artması ile alaşı şımın n dayanım m ve sertlik gibi özellikleri doğru orantılı olarak artar. Ancak bazı özellikleri de örneğin düktilite d ve enerji yutabilme yeteneği i azalır. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 40

41 Demir Karbon Denge diyagramı Saf demir 30 MPa (N/mm 2 ) gibi oldukça a düşük d k akma dayanımı değerine erine sahiptir. Demirin içerisine i az miktar karbon ilavesi bile akma dayanımını değerini erini önemli bir şekilde artırır. r. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 41

42 Demir Karbon Denge diyagramı Demir-karbon alaşımlarının değişik sıcaklıklardaki iç yapılarını gösteren faz diyagramında, sistemin sıvı halden, katı hale geçinceye kadar uğradığı değişiklikler görülmektedir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 42

43 Demir Karbon Denge Diyagramındaki Fazlar Denge diyagramları aslında alaşım bünyesinde oluşan oldukça karmaşık olayları açıklamaya yarar. Sıvı halden soğuyup katılaşıncaya kadar geçen süre içinde alaşımın bünyesinde önemli değişiklikler olur. Polimorfik veya allotropik reaksiyonlar şeklinde gelişen bu değişiklikleri faz diyagramları üzerindeki eğriler yardımıyla izlemek mümkün olabilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 43

44 Demir Karbon Denge Diyagramındaki Fazlar Atomların bulundukları yerlerden çok az miktarda hareket etmesi sonucu oluşan bu reaksiyonların tamamlanabilmesi için belirli bir süre gerekir. Bu süre içinde atom bağları kopar, atomlar yer değiştirir ve yeni bağlar kurulur. Bu olayların süresi ortamın sıcaklık derecesi ile yakından ilişkilidir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 44

45 Demir Karbon Denge Diyagramındaki Fazlar Katı cisim içinde meydana gelen bu reaksiyonlarda kristal yapıda değişmeler olduğundan, cismin hacmi ve yoğunluğu da değişir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 45

46 Ferrit MÜHENDİSLİK K METAL ve Ferrit: Karbonun α demiri içinde erimesi sonucu oluşan katı eriyiğe ferrit adı verilir. Karbon bu eriyik içinde en fazla 723 C'de (A1sıcaklığı) % kadar eriyebilir. Sıcaklık derecesinin düşmesine bağlı olarak bu oranda azalır. Oda sıcaklığında ise bu oran % tir. Ferritin çözemediği karbon kristalin dışına atılır ve sementit oluşur. Ferritten ayrışan sementite tersiyer sementit denilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 46

47 Ostenit MÜHENDİSLİK K METAL ve Karbonun γ demiri içinde erimesi sonucu ostenit oluşur. Karbon bu eriyik içinde ötektik sıcaklık olan 1147 C'de en fazla % 2.06 oranında eriyebilir. Çeliğin sıcak şekillendirme ve ısıl işlemlerin pek çoğu ostenit fazında yapılır. Ostenit fazından, soğuma hızına bağlı olarak çok değişik mikroyapılar meydana gelir. Kristalin dışına atılan karbon sementit oluşturur. Ostenitten oluşan bu sementite, 2. sementit (sekonder sementit) denilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 47

48 δ demiri: MÜHENDİSLİK K METAL ve Özel bir adı ve teknik bir önemi yoktur; en çok 1493 C de % 0.08 karbon eritebilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 48

49 Diyagramdan görülebile-ceği gibi, NIE eğrisinin üst kısmında alaşım sıvı haldedir. En düşük derecesi 1147 C olan bu eğriye ulaşan değerlerde alaşım katılaşmaya başlamaktadır. Soğumanın devamı halinde allotropik değişmeler başgösterir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 49

50 Katılaşmanın başlama eğrisinin 723 C ve % 0.83 C oranı için S ile gösterilen en düşük ordinatına ötektoid noktası adı verilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 50

51 Ötektoid en az iki fazın belirli bir sıcaklıkta katı cisim içinde, mekanik olarak gayet homojen bir şekilde karışabildiği sınır noktası olmaktadır. Örneğin, bu noktada ferrit ve sementitin karışmasıyla elde edilen bileşime inci görünümünden perlit (pearlite) adı verilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 51

52 Perlit MÜHENDİSLİK K METAL ve A1 sıcaklığındaki karbon çözünürlük sınırı % 0.025, oda sıcaklığında % dir. Karbon oranları bu değeri aştığında perlit adı verilen bileşen oluşur. Perlit, çeliğin ötektoit sıcaklığından (723 C) soğutulması sonucu aşağıdaki reaksiyona göre oluşur. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 52

53 Ledeburit MÜHENDİSLİK K METAL ve Demir karbon denge diyagramındaki ötektik alaşıma (1147 C % 4.3 C) ledeburit denilir. Ledeburit, ostenit ve 1.sementitten meydana gelir. Sıvıdan ayrışan sementite 1. sementit (primer sementit) denilir. Ötektik ayrışma aşağıdaki reaksiyondaki gibi sıvıdan iki ayrı katının oluşması şeklinde gelişir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 53

54 Ledeburit MÜHENDİSLİK K METAL ve Ledeburit içindeki ostenitin karbon oranı sıcaklık düştükçe azalır (ES eğrisi boyunca). Ostenitin içinde ötektoit oran olan % 0 8C kalınca, perlit olarak dönüşür. Bundan dolayı 723 C nin altındaki ledeburite dönüşmüş ledeburit denilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 54

55 Demir-karbon alaşı şımlarının n isimlendirilmesi Karbon oranı % 0.2 den az olan Fe Fe 3 C alaşımlarına yumuşak demir adı verilir. Karbon oranı % % 1.7 arasında olan Fe Fe 3 C alaşımlarına çelik denir. Karbon oranı % 1.7 den büyük olanlarına ise dökme demir (Font) denilir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 55

56 Soğuma Esnasında nda Çelik Ve Dökme D Demirlerdeki Faz Değişimleri imleri Diyagram üzerinde % 0.4 ve %1.4 karbonlu çelik ile %3 karbonlu dökme demirin ergime noktasından oda sıcaklığına kadar geçirdiği değişiklikleri inceleyelim PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 56

57 % 0.4 karbonlu alaşı şım % 0.4 karbonlu alaşı şım, 1 noktasına na gelince katıla laşmaya başlar, 2 noktasına na gelindiğinde inde yapı tamamen ostenittir. 3 noktasına na kadar herhangi bir değişiklik iklik olmaz. 3 noktasına na gelince tane sınırlars rlarında ferritler (α)( ayrış ışmaya başlar. Ostenitin karbon oranı ise A 3 eğrisi boyunca sıcakls caklık düştükçe e artar ve en son 723 C C de % 0.8C oranına na ulaşı şır. Bu alaşı şım m 723 C C nin altında (4. nokta) perlit olarak dönüşür. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 57 57

58 % 0.4 karbonlu alaşı şım Oda sıcakls caklığında yapı ferrit ve perlitten meydana gelmiştir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 58

59 % 1.4 karbonlu alaşı şım %1,4 karbonlu çelik 1 noktasına na gelince ostenit (γ)( ) tanecikleri oluşmaya başlar. 2 noktasında nda yapı tamamen ostenitten ibarettir. Acm eğrisinin e altına inince (3 noktası) ostenitin çözebildi zebildiği i karbon oranı azaldığı ığından ikinci sementit oluşur. ur. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 59

60 % 1.4 karbonlu alaşı şım A1 sıcakls caklığının n altına inildiğinde inde (4 noktası) yapı perlit ve ikinci sementitten ibarettir PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 60

61 % 3 karbonlu alaşı şım % 3 karbonlu alaşı şım m 1 noktasına na gelince ostenit tanecikleri katıla laşmaya başlar ötektik sıcaklığa a gelindiğinde, inde, ostenitin karbon oranı % 2.06, sıvıs içindeki indeki karbon konsantrasyonu % 4.3 tür. t Geriye sıvıs olarak kalan kısım k ledeburit olarak katıla laşır. Sıcaklık k düşerken d ostenitin karbon eritme oranı Acm eğrisi e boyunca düştüğü için in ostenitten karbonlar ayrışı ışır r ve 2.sementiti oluşturur. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 61

62 % 3 karbonlu alaşı şım A1 sıcakls caklığına gelindiğinde inde ostenitin karbon oranı % 0.8 e düşmüştür. 723 C C nin altında ostenit perlite dönüşür. Oda sıcakls caklığında yapı perlit, ikinci sementit ve dönüşmüşd ledeburitten ibarettir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 62

63 Düşük k Karbonlu Çelikler Düşük k karbonlu çelikler en fazla % 0.25 mertebelerinde karbon içerirler. Bunlar diğer türlere t kıyasla k en fazla düktil, d buna karşı şın n en düşük d dayanım m ve sertliktedirler. Bu tip çelikler, büyük b k düktilite d ve işlenebilirlik i gerektiren yerlerde kullanılırlar. Örneğin, otomobil gövdesi, g ince saç levha, çivi, perçin, betonarme donatısı,, profil eleman malzemesi üretiminde kullanılırlar. Tavlama ve ısıl l işlemler i yardımıyla yla sertleştirilemezler. tirilemezler. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 63

64 Orta Karbonlu Çelikler % % 0.5 oranında nda karbon içeren i orta karbonlu çelikler ise; demiryolu rayları,, tren ve tekerlekleri, dingil şaftları ve yüksek y nitelikli betonarme donatısı gibi sertlik ve yüksek y dayanım gerektiren yerlerde kullanılır. Karbon içerikleri i martensit oluşumuna umuna izin vermesi nedeniyle ısıl işlem ve tavlama yoluyla özellikleri düzeltilebilir. d PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 64

65 Yüksek Karbonlu Çelikler % % 0.95 arasında karbon içeren i yüksek y karbonlu çelikler, en sert, en dayanıkl klı ancak en az düktil d olan türdt rdür. r. Isıl l işlemlere i en iyi bu tür t r yanıt t verip, gereken işlemlere i tabi tutulduktan sonra istenen niteliğe e getirilebilir. Bu tür t çelikler, değişik ik özellikli tellerin, savaş araçlar larının, n, keskin bıçaklarb akların n vb. yapımında kullanılır. Kaynak işlemi i bu tip çeliklerde lokal sertleşme ve düktilite d kaybına yol açabildia abildiğinden inden kaynaklama sırass rasında dikkatli olunması gerekir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 65

66 Çeliklerin içinde i inde doğal olarak bazı yabancı maddeler bulunabilir (En çok Mn % 0.6-% % 0.7, Si % % 0.45, S % % 0.04, P % oranlarında nda bulunabilir). Bunlar yukarıda belirtilen sınırlar s içinde i inde kalırsa, alaşı şımın n mekanik davranışı ışını pek etkilemezler. Ayrıca Mn oranının n artması dayanımı olumlu yönde y etkiler. Ancak kükürt k çeliğin in kırılganlk lganlığını arttırır, r, bu nedenle iyi bir çelikte oranı % 0.04'ü geçmemelidir. PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 66

67 8 MALZEME BİLGB LGİSİ ÇELİK ÜRETİMİ Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN Pamukkale Üniversitesi BAHAR

68 ÇELİK ÜRETİMİ DEMİR (Fe) KARBON (C) ÇELİK Fe ( %99,7) C (0,25-0,4) ÇELİK PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 68

69 ÇELİK ÜRETİMİ CEVHER+ERİTİCİ Baca KIRMA, UFALAMA YAKMA YAKMA (1900 C) Gaz Çıkışı 200 C Döner yükleme haznesi Büyük Çan Küçük Çan 800 C SOĞUTMA 1300 C BEYAZ FONT ESMER FONT Ham demir 1800 C 1500 C Hazne Ana hava simidi Hava giriş borusu Curuf akıtma kanalı PAÜ İnşaat Mühendisliği Bölümü Malzeme Bilgisi Dersi Yrd. Doç. Dr. Hayri ÜN 69